染料生產(chǎn)過程的自動(dòng)控制分析

阮光棟（浙江閏土股份有限公司，浙江 紹興 312300）

染料工業(yè)是我國化工產(chǎn)業(yè)中發(fā)展時(shí)間最長的行業(yè)之一，且具有龐大的消費(fèi)市場與產(chǎn)業(yè)規(guī)模。但從當(dāng)前來看，我國大部分企業(yè)的染料生產(chǎn)方式仍比較傳統(tǒng)，并明顯地表現(xiàn)在自動(dòng)化普及率低這一問題上。據(jù)此，我們有必要對(duì)染料生產(chǎn)過程的自動(dòng)控制進(jìn)行討論探析。

1 染料工業(yè)的生產(chǎn)特點(diǎn)

染料工業(yè)具有產(chǎn)品種類多、生產(chǎn)規(guī)模小、物料需求大、工藝流程復(fù)雜等特點(diǎn)，且處在化工產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域當(dāng)中，大部分工藝介質(zhì)存在毒性、易燃易爆性、腐蝕性等危險(xiǎn)特性。因此，染料工業(yè)具有極高的精細(xì)化、安全化生產(chǎn)需求。在此背景下，染料工業(yè)長期處在自動(dòng)化程度低、自動(dòng)控制難的困境當(dāng)中。究其原因，主要有以下幾個(gè)方面：（1）生產(chǎn)狀態(tài)波動(dòng)性較強(qiáng)，反應(yīng)過程中的溫度、壓力、物性等參數(shù)隨時(shí)可能發(fā)生變化，且調(diào)整起來相對(duì)困難；（2）原材料種類較多，在固態(tài)、液態(tài)、汽態(tài)等方面均由涉及，因此對(duì)自動(dòng)控制的差異性控制能力要求較高；（3）部分反應(yīng)環(huán)節(jié)依賴目力測定，且具有瞬時(shí)性。若自動(dòng)控制系統(tǒng)的傳感延遲較大，或數(shù)據(jù)處理能力較弱，將很難獲得理想比較好想的染料生產(chǎn)效果[1]。

2 染料生產(chǎn)過程的自動(dòng)控制工藝

2.1 染料生產(chǎn)過程中物料投放的自動(dòng)控制

近年來，隨著染料工業(yè)的不斷發(fā)展，染料生產(chǎn)中應(yīng)用到的原料在種類、物性、相態(tài)等方面越來越趨于多樣化、復(fù)雜化。此時(shí)，若企業(yè)仍采取傳統(tǒng)生產(chǎn)中人工投料的生產(chǎn)方式，將會(huì)嚴(yán)重降低染料生產(chǎn)源頭的工作效率，并很容易產(chǎn)生物料錯(cuò)放的情況，對(duì)染料產(chǎn)品的最終質(zhì)量產(chǎn)生嚴(yán)重影響。同時(shí)，染料生產(chǎn)的原料多為化工材料，因此可能會(huì)對(duì)操作人員的身體健康產(chǎn)生毒害影響?；诖耍瑹o論是出于生產(chǎn)質(zhì)量與生產(chǎn)效率的考量，還是出于對(duì)員工安全的保護(hù)，都應(yīng)做好染料生產(chǎn)過程中物料投放的自動(dòng)化控制。具體來講：

2.1.1固體物料投放的自動(dòng)控制

固體物料在染料生產(chǎn)的原料中占比較高，其自動(dòng)控制質(zhì)量可在很大程度上體現(xiàn)出企業(yè)的現(xiàn)代化水平。現(xiàn)階段，固體物料投放的自動(dòng)控制作業(yè)多通過機(jī)械傳輸系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。機(jī)械傳輸系統(tǒng)主要由稱重設(shè)備、提升設(shè)備、傳輸溜槽、推進(jìn)設(shè)備等部分構(gòu)成。在實(shí)際的染料生產(chǎn)中，機(jī)械傳輸系統(tǒng)可在PLC控制中心的預(yù)設(shè)程序支持下，完成標(biāo)準(zhǔn)重量物料的稱取，并由提升設(shè)備提升至溜槽處，在物料自身的重力作用下滑向推進(jìn)設(shè)備的絞籠處。其后，推進(jìn)設(shè)備攜帶物料按軌道機(jī)構(gòu)向前運(yùn)行，從而將固體物料輸送至反應(yīng)釜當(dāng)中。由此，便可完成固體物料的定點(diǎn)、定量自動(dòng)投放[2]。

2.1.2流體物料投放的自動(dòng)控制

流體物料的自動(dòng)投放以管道輸送為主，首先需要通過流量計(jì)、計(jì)量泵、稱重模塊等裝置設(shè)備，基于控制程序預(yù)設(shè)參數(shù)對(duì)流體物料進(jìn)行定量計(jì)算。其后，以計(jì)算結(jié)果為基礎(chǔ)，對(duì)物料管道各節(jié)點(diǎn)的開關(guān)閥、調(diào)節(jié)閥進(jìn)行動(dòng)態(tài)控制，從而達(dá)到以流速、流量控制物料投放量級(jí)的效果。最終，定量物料由管道流入反應(yīng)容器中，完成流體物料投放的自動(dòng)控制過程。

與人工勞動(dòng)的操作方式相比，自動(dòng)投放系統(tǒng)具有精準(zhǔn)化、持續(xù)化的進(jìn)料控制能力，可有效避免因人員疏忽、疲勞、運(yùn)算失當(dāng)?shù)惹闆r導(dǎo)致的投放偏差，進(jìn)而從源頭上保證染料的生產(chǎn)質(zhì)量。同時(shí)，自動(dòng)投放系統(tǒng)主要以PLC 技術(shù)作為支撐，可滿足遠(yuǎn)程化、模塊化的監(jiān)控需求，因此也在很大程度上消除了人員現(xiàn)場操作的安全隱患。

2.2 染料生產(chǎn)過程中反應(yīng)溫度的自動(dòng)控制

反應(yīng)溫度的控制，一直是染料生產(chǎn)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。若反應(yīng)溫度過高，將會(huì)對(duì)原料形成過度的高溫催化作用，進(jìn)而產(chǎn)生大量的無用副產(chǎn)物，并降低染料產(chǎn)品的成分質(zhì)量；若反應(yīng)溫度過低，將嚴(yán)重影響到各類物料的反應(yīng)速率，進(jìn)而制約染料生產(chǎn)的效率提升。此時(shí)，采用自動(dòng)控制技術(shù)，可在溫度傳感器與溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)的共同作用下對(duì)反應(yīng)釜內(nèi)溶劑原料實(shí)施針對(duì)性、精準(zhǔn)化的預(yù)熱、預(yù)冷處理，從而將初始反應(yīng)溫度控制在合理區(qū)間內(nèi)，并達(dá)成持續(xù)性的恒溫效果。

此外，在初始溫度控制完成后，由于染料生產(chǎn)還需要經(jīng)歷加料、放空、取樣等事工處理環(huán)節(jié)，且涉及到復(fù)雜、頻繁的升溫加熱、恒溫保持以及降溫冷卻，所以還需要對(duì)后續(xù)的全程生產(chǎn)溫度實(shí)施精準(zhǔn)化自動(dòng)控制。通常情況下，可在冷卻水、導(dǎo)熱油、蒸汽、冷凍鹽水等溫控材料的輸送系統(tǒng)處設(shè)置傳感器，并將輸送閥門改造為程序控制的自動(dòng)機(jī)構(gòu)。這樣一來，通過采集溫度傳感器、流量傳感器的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，PLC控制中心便可對(duì)當(dāng)前溫控材料的流量作出分別調(diào)整，以此將反應(yīng)環(huán)境中導(dǎo)熱介質(zhì)、冷卻介質(zhì)的具體量級(jí)維持在合理水平，從而完成反應(yīng)溫度的控制調(diào)節(jié)。

例如，在進(jìn)行某染料重氮化反應(yīng)環(huán)節(jié)的溫度控制時(shí)，PLC控制中心首先會(huì)接收到來自反應(yīng)釜處溫度傳感器的溫度數(shù)據(jù)，并將該數(shù)據(jù)與預(yù)設(shè)的溫控參數(shù)進(jìn)行比對(duì)，以此確定需要調(diào)整的具體溫度值。其后，控制中心便可基于這一數(shù)值，對(duì)固體冰塊、冷凍鹽水、亞硝酸鈉等溫控材料的投放系統(tǒng)作出聯(lián)鎖控制，使其按規(guī)定量進(jìn)入到反應(yīng)釜當(dāng)中，以此降低反應(yīng)釜內(nèi)重氮化反應(yīng)的環(huán)境溫度。其后，在溫度降至標(biāo)準(zhǔn)區(qū)間時(shí)，控制中心再次對(duì)溫控材料的投放系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)鎖控制，從而實(shí)現(xiàn)緊急停車，避免反應(yīng)釜內(nèi)溫度超標(biāo)。

2.3 染料生產(chǎn)過程中反應(yīng)壓力的自動(dòng)控制

在染料生產(chǎn)的過程當(dāng)中，物料的水解、氫化、氨化等反應(yīng)需要經(jīng)過加壓處理，烘焙磺化、硝基苯氯化等反應(yīng)則需要經(jīng)過減壓處理。一旦反應(yīng)壓力低于或超出相關(guān)反應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)區(qū)間，將會(huì)造成主反應(yīng)效率與質(zhì)量的降低，并產(chǎn)生一系列的副產(chǎn)物，形成主體生產(chǎn)流程以外的化驗(yàn)分析、分離提純、廢料處理等工作困擾。因此，在應(yīng)用自動(dòng)控制技術(shù)、搭建PLC系統(tǒng)的過程當(dāng)中，還需要納入反應(yīng)壓力的控制功能。具體來講：

首先，要保證壓力反應(yīng)中冷卻系統(tǒng)、冷媒供給的持續(xù)運(yùn)行。對(duì)此，應(yīng)在冷媒系統(tǒng)的開關(guān)及通道處設(shè)置檢測單元及自動(dòng)傳感器，并在PLC控制中心中設(shè)置出相應(yīng)停車模塊。當(dāng)檢測到系統(tǒng)開關(guān)異常閉合或冷媒流量趨于中斷時(shí)，系統(tǒng)便可立即做出停車反應(yīng)，以免反應(yīng)壓力驟降，對(duì)染料的生產(chǎn)質(zhì)量產(chǎn)生影響。

其次，應(yīng)重點(diǎn)著眼于硝化、磺化、絡(luò)合、氯化、重氮化等重點(diǎn)反應(yīng)環(huán)節(jié)的壓力參數(shù)，在相關(guān)反應(yīng)釜處設(shè)置壓力監(jiān)控系統(tǒng)，以此完成反應(yīng)過程中壓力的實(shí)時(shí)監(jiān)測、自動(dòng)報(bào)警與緊急控制。當(dāng)控制中心檢測到反應(yīng)釜內(nèi)壓力超出限定值時(shí)，監(jiān)控系統(tǒng)會(huì)同步向反應(yīng)釜的安全閥發(fā)出驅(qū)動(dòng)信號(hào)，使安全閥立即進(jìn)行起跳動(dòng)作，達(dá)到反應(yīng)釜的自動(dòng)泄壓。這樣一來，便可有效防止釜內(nèi)壓力的失控，將爆炸隱患消除于無形。

3 染料生產(chǎn)過程的自動(dòng)控制系統(tǒng)選用要點(diǎn)

染料生產(chǎn)的過程比較復(fù)雜，其自動(dòng)控制系統(tǒng)勢必會(huì)面臨控制對(duì)象多、控制難度大、控制流程長等應(yīng)用挑戰(zhàn)。此時(shí)，根據(jù)不同的生產(chǎn)工藝、生產(chǎn)條件選擇出合理化的自動(dòng)控制方案，就顯得尤為重要。現(xiàn)階段，在設(shè)計(jì)和選用染料生產(chǎn)過程的自動(dòng)控制方案時(shí)，主要可從以下幾個(gè)方面作出考量：

（1）自動(dòng)控制系統(tǒng)服務(wù)于染料生產(chǎn)的運(yùn)行發(fā)展，因此必須具有專業(yè)性與針對(duì)性，可滿足各類染料生產(chǎn)環(huán)節(jié)的溫度、壓力、流量等工藝要求；（2）染料生產(chǎn)處在化工領(lǐng)域當(dāng)中，勢必會(huì)存在毒氣、爆炸等隱患問題。據(jù)此，自動(dòng)控制系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)質(zhì)量控制的同時(shí)，也應(yīng)具備安全性能的控制功能，以此符合“安全為先”的染料工業(yè)發(fā)展原則；（3）自動(dòng)控制系統(tǒng)需要涉及到傳感器、終端設(shè)備、控制單元等多種器件的應(yīng)用，且存在一定的生產(chǎn)工藝改造要求，故而需要較大的資金資源投入作為支持。對(duì)此，相關(guān)企業(yè)應(yīng)秉持“夠用為度”的技術(shù)應(yīng)用理念，從成本效益、經(jīng)濟(jì)效益、操作性能、售后服務(wù)等多個(gè)角度進(jìn)行選擇；（4）要盡量保證自動(dòng)控制系統(tǒng)控制方式的多樣性，如流程控制、離散控制、調(diào)節(jié)控制、生產(chǎn)調(diào)動(dòng)、故障追溯等，以此發(fā)揮出最大化的技術(shù)應(yīng)用價(jià)值[3]。

4 結(jié)語

綜上所述，染料工業(yè)的特殊性，對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的技術(shù)應(yīng)用提出了很大挑戰(zhàn)。所以，相關(guān)人員在設(shè)計(jì)、選用自動(dòng)控制系統(tǒng)時(shí)，必須要立足于染料產(chǎn)業(yè)的實(shí)際條件與工藝要求，在落實(shí)工況監(jiān)測與設(shè)備控制功能的同時(shí)，做到安全性、精準(zhǔn)性、經(jīng)濟(jì)性等多重屬性的有機(jī)統(tǒng)一。